敞开式盾构机施工技术介绍

天津市静海城市基础设施建设投资集团有限公司  杨威

一、敞开式盾构的概念

盾构机的种类多种多样，敞开式盾构指一般意义上的盾构机去掉前端刀盘及驱动部分，开挖面于内舱之间无封闭隔板，能够直接看到全部开挖面状况的盾构机。这种盾构机是密闭式盾构发展完善过程中的中间产品，自动化程度低，对隧道地层及岩土工程的经验依赖性强。主要用于地质条件较好且无地下水，开挖面在切口及前檐挡板的保护下能维持稳定的自立状态，或开挖面在采取辅助措施后也能稳定自立的地层，其优点在于敞开掘进时对正面障碍及小型塌方处理方便，并便于超挖，配合盾构操作，提高盾构的纠偏效果。

敞开式盾构机照片

二、敞开式盾构与普通盾构的区别

一台盾构机的外壳沿纵向从前到后可分为前、中、后三段，通常又把这三段分别称为切口、支承、盾尾三部分，如图1a）为敞开式盾构，b）为封闭式盾构，由图可见两者的主要区别在前、中段即切口和支撑部分。

2.1 切口部分的区别

切口部分装有掘削机械和挡土设备，故又称掘削挡土部。

敞开式盾构机掘削挡土部照片

就图1 a)所示的敞开式盾构而言，通常切口的形状有阶梯形、斜承形、垂直形三种，见图2。切口的上半部较下半部突出呈帽檐状。突出的长度因地层的不同而异，通常为300～1000mm。但是，对部分敞开式（网格式）盾构而言，也有无突出帽檐的设计。对自立性较差地层而言，切口的长度要设计得长一些。掘削时把掘削面分成几段，设置几层作业平台，依次支承挡土、掘削。有些情况下，把前檐做成靠油缸伸缩的活动前檐，切口的顶部做成刃形；对砾石层而言，应做成T形。

图1 b）是封闭式盾构，与图1 a）的主要区别是在切口与支承之间设有一道隔板，使切口部与支承部完全隔开，即切口部得以封闭。切口部的前端装有掘削刀盘，刀盘后方至隔板的空间称为土舱（或泥水舱）。刀盘背后土舱空间内设有搅拌装置。土舱底部设有进入螺旋输送机的排土口。土舱上留有添加材料注入口。此外，当考虑更换刀具、拆除障碍物、地中接合等作业需要时，应同时考虑并用压气工法和可以出入掘削面的形式，因此隔板上应考虑设置人孔和压气闸。

2.2 支承部分的区别

支承部即盾构的部位，是盾构的主体构造部。因为要支承盾构的全部荷载，所以该部位的前方和后方均设有环状梁和支柱，由梁和柱支承其全部荷载。

对敞开式盾构而言，该部分装有推动盾构机前进的盾构千斤顶，其推力经过外壳传到切口。中口径以上的盾构机的支承部还设有柱和平台，利用这些支柱可以组装出多种形式（H形、井形、升形等）的作业平台。

对封闭式盾构而言，支承部空间内装有刀盘驱动装置、排土装置、盾构千斤顶、铰接装置、举重臂支承机构等诸多设备。

由上可见，与普通盾构相比，敞开式盾构由于不需要刀盘和主轴承、集成控制方面得以简化，国产化能力较高，国内企业完全有能力自主制造。

三、敞口式盾构机原理及构造

3.1 敞开式盾构的工作原理

敞开式盾构工作程序主要包括开挖面稳定、挖掘及排土、管片安装及同步注浆、盾构机推进等四步。开挖面稳定装置包括液压活动前檐（防止开挖面顶端土体坍塌）、液压移动挡板（保证开挖面上半断面或土体稳定）和切口下部斜面（保证开挖面下半断面土体坡度，进而保证开挖面下半断面土体稳定）；挖掘及排土装置包括液压挖土铲斗和皮带输送机；管片安装及同步注浆装置包括管片安装机和同步注浆设备；盾构推进装置主要是液压千斤顶系统。

敞开式盾构机与土压平衡盾构机相比，前端没有刀盘，开挖面于内舱之间无封闭隔板，能够直接看到全部开挖面状况，预留浅埋暗挖施工空间；与土压平衡盾构主要区别在于开挖面稳定控制和挖掘方式不同。工作原理是：

1、采用活动前檐防止隧道开挖面拱顶土体坍落，采用液压移动挡板保证开挖面上半断面土体稳定，采用切口下部斜面保持开挖面下半断面土体坡度，进而保证开挖面下半断面土体稳定；

2、采用机械铲斗对开挖面土方直接挖掘，皮带输送机输送土方到矿车；

3、采用管片安装机在盾壳保护下进行管片安装，同步注浆同步进行；

4、采用安装在前盾支承环梁上的千斤顶顶进盾构机。

3.2 敞开式盾构的基本构造

开敞式盾构基本结构由前盾部分、尾盾部分和辅助系统三部分组成，主机长度约10.24m。主要构件及系统有：盾体、活动前檐、移动挡板、液压铲斗、皮带输送机、管片安装机、推进千斤顶、同步注浆系统、盾尾密封系统、液压系统、电气控制系统等。

四、敞开式盾构机施工工艺

敞开式盾构施工过程包括：洞门加固、盾构机下井组装调试、始发段试掘进、正常掘进、接收段掘进、解体调出等过程，各过程分述如下：

4.1 端头加固

盾构机进出洞端头必须采取地基加固措施，加固后的地基应具有良好的均匀性和自立性，其土体强度达到0.5～0.8Mpa，渗透系数小于10-8m/sec。沿隧道纵向加固范围为：始发段8m，接收端6m，隧道周边3m。

4.2 盾构机下井组装调试同闭胸式盾构机

4.3 盾构机掘进

4.3.1盾构机掘进作业

1、始发段试掘进、正常掘进、接收段掘进等三个过程，盾构机作业动作相同，始发试掘进段主要目的是要得到盾构机、地质、地表沉降的相互关系，确定优化掘进参数，接收段掘进主要考虑采取辅助措施加强管片环间连接，防止环间松动而影响密封防水效果。敞开式盾构机的掘进速度主要由铲斗挖掘频率、开挖面的稳定性、管片拼装速度等控制，排土量则主要通过调整皮带输送机的速度来调节，管片拼装、防水、同步注浆同土压平衡盾构。

2、开挖工序

① 帽檐推进油缸推动帽檐，在挖掘机械手开挖和松动下，顶入地层。

② 机械手挖掘移动挡板位置土体，移动挡板向前支撑土体。

③ 机械手由上至下挖掘600mm土体。

④ 盾构向前推进600mm。

⑤ 移动挡板收回，重复工序①～④进行，进入第二开挖工作循环。

⑥ 完成1200mm后拼装一环管片，同时可以进行工序①。

⑦ 继续开挖时实施同步注浆。

4.3.2敞开式盾构机掘进方向的控制与调整

盾构机推进油缸、铰接油缸、挖掘设备三个系统协同工作，可完成转向、纠偏工作。

推进油缸和铰接油缸分为4区，进行压力控制，可辅助转向工作。在转向过程中，推进中需要先使用铰接油缸伸出，使盾构机主机前盾和盾尾之间形成一定的角度，依靠土体转向外侧的侧面压力产生推力差产生转向力矩。挖掘系统在挖掘时，加大转向外侧的挖掘量，减少外侧阻力，产生转向力矩。

在这三个系统的辅助作用下，敞开式盾构机可以很好的转向和纠偏。

4.4解体吊出

敞开式盾构机解体吊出同土压平衡盾构机

4.5控制沉降措施

在工程中使用敞开式盾构的一个难点就是控制地面沉降。

在盾构施工中，沉降有两个原因：掌子面超挖、塌陷和施工后注浆不足所引起的沉降。

对于自稳性稍差，但仍可自稳的地层，在活动前檐和挡板的控制下严格按照掘进流程掘进，防止掌子面塌陷。

对于土体较为松散，完全不能自立的地层，先进行超前支护，强化之后掘进，完全可以保证施工的安全，控制沉降在预定范围之内。

同步注浆在盾构机前进时同步进行。

五、敞开式盾构风险应对措施

敞开式盾构机施工前先探测地面空洞，分析并加固处理地质空洞区。

敞开式盾构机施工中如果掌子面出现小范围塌方，对掌子面进行喷浆封闭，然后对塌方部位进行注浆处理。

敞开式盾构机施工过程中如果掌子面出现大范围塌方，立即启动紧急预案，对塌方地段地面实施围挡或疏散人员，洞内紧急喷浆封闭，迅速注浆，防止地层塌方扩散，波及地面安全。

敞开式盾构机施工过程中如果遇到不明流水，立即停止施工，查找水源，若非管线原因引起，可采取疏排的措施；若为管线渗流水，需停工处理管线后，方可正常开挖。

六、敞开式盾构施工推广的意义

地铁区间隧道施工工法经历了明挖法、矿山法、盾构法的技术跨越和演变，随着社会发展水平的进步，目前，已经过渡到盾构法为主，矿山法为辅，个别地段采用明挖法的新阶段，但每种工法有其独特的适用条件和局限性。

矿山法能适应各种地层，不同断面，施工设备投入少，施工场地可选择范围广；矿山法需在无水状态下开挖支护，高水位、承压水地层中不适用；机械化程度低，施工速度慢，作业方式落后，劳动力消耗大，工序多，工艺衔接要求高，时效性强，安全质量控制点多，要依赖于经验丰富的专业队伍并实行严格的过程控制来保证安全。

盾构法适应于均质地层、单一断面、速度快、不需降水，进入高水位承压水层施工可选用泥水平衡盾构。主机依赖国外进口，订货周期长，投入大，造价高；施工准备期长，用电负荷大，需要专线配电；施工中遇有障碍物处理代价大，应变差。在进、出洞，洞内换刀、开挖面障碍物排除等方面存在风险。

敞开式盾构是从矿山法暗挖向密闭式盾构自动化掘进发展过程中的一个过渡阶段。敞开式盾构机对盾构设备的要求较低，可实现国产化，结合压气、降水、注浆等辅助工法也可适应自稳性差的地层。

我国地铁建设已进入一个高峰阶段，原则上在无水地层或降水费用不高的地区可采用矿山法施工，但大量采用与城市形象有冲突，也带来了熟练队伍不足，建设管理难度较大，安全隐患多的问题。而大量集中采用盾构会造成资源集中投入的浪费，且存在过卵石层的技术障碍，敞开式盾构在无水条件下能避免密闭式盾构的局限，更能消除矿山法暗挖的缺点，是两者优势的结合，在安全有保障的前提下具有较高的性价比。从国情出发，敞开式盾构具有推广应用价值。